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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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正方形 Icon 創新之鑰Innovation

為生活找尋節能環保新途徑

文/魏茂國 攝影/鄒福生

若以研發的必然性與偶然性來看,「噴塗式隔熱技術」(Spray-IT)顯然兼具了兩者的特質。從光電材料著手,到發展出環保材料,有效透過隔熱來減少其他能源消耗,Spray-IT展現對人類生活的關注與實用性,更擁有低成本、高性能、高穩定度等產業優點,成為與現有環境結合、創造節能的重要突破。

每到炎炎夏日,如何遮陽、抗暑,幾乎成了每個人難以避免的課題。可防曬的保養商品,或是陽傘、遮陽帽、太陽眼鏡,甚至是可抗紫外線、可排汗的機能衣物,此時都一股腦兒地湧入市面;就連建築內的冷氣空調,也能從節節高升的電費上看出龐大需求。

路上往來的汽車也是如此,只要停在路旁沒幾分鐘,車裡的溫度就急速高升,行駛時除了得開著冷氣,車窗上也大多都貼著隔熱膜。林林總總的抗熱產品,不難發現,將會產生熱能的紅外光阻隔在外,減低室內或身體溫度、增加舒適感,已是當前的重要生活趨勢;工研院的「噴塗式隔熱技術」(Spray-IT),更是能夠大幅降低隔熱成本並廣為應用的方式。

隔熱需求龐大

即使是靠冷氣、電扇等方法來消暑,其實仍得耗用不少電力,更不用說在天氣燠熱時,耗能的情況就愈加劇烈,於是一般人也不得不斟酌電費的支出。如果可以利用隔熱的技術,使熱能無法順利進入,不僅能降低室內或車內溫度,相對也可減少能耗與費用支出。

以汽車隔熱膜產品來說,在市面上已行之有年,同樣方式也多用在一般建築的窗戶上,來減少熱能進入屋內。但不論是建築窗戶或是車窗的隔熱膜,一方面因使用材料與等級的落差,使得隔熱效果與價格的差異頗大;同時在透光度的表現上,更是不可忽視的基本功能,如果隔熱膜的顏色過暗、透光度不佳,反而必須以開燈來解決,甚至影響行車安全。

因此,透光度與隔熱效果,就成為隔熱材料的研發重點;但工研院的Spray-IT,其實原先並不是為了隔熱節能而研究。工研院材料與化工研究所電子材料及元件研究組組長林澤勝解釋,當初研發團隊投入的是氧化物電子材料的研究,希望能找出既透明又能導電的材料,供電子產品使用,而且價格要更便宜,來取代目前電子產品中的電極層。

以LCD(Liquid Crystal Display,液晶顯示器)為例,目前採用的多是ITO(Indium Tin Oxide,銦錫氧化物)透明導電膜,尤其當中約有九成的材料比例為「銦」,不但產量有限、受到控管,價格也相當昂貴;如果能改用價格較低、效果卻能比擬的透明導電膜,對於廠商及消費者就能享受其利。

就在追求透明度佳、導電度好的材料過程中,工研院研發團隊嘗試了許多不同的方式,甚至逐漸發現新的應用,延伸出具有隔熱功能的材料,也就是在透光度能夠維持、導電度控制在一定程度下,還能反射產生熱的紅外光,並使其他可見光能夠穿透,達到節能隔熱的效果。

林澤勝表示,不論在房屋、汽車、電器等,需要「透明隔熱」的用途愈來愈多,Spray-IT在這方面的用途上,強調的是透光度與隔熱效果,因而在導電度上並不需要有太高的表現。換句話說,從光電產品到隔熱材料,只要透過Spray-IT相關的材料技術,就可視需求來調整材料的特性,以因應不同的應用。

結合材料改良與製程創新

Spray-IT的材料發展,可以說是由Low-E(Low-emission,低輻射鍍膜)玻璃開始。Low-E玻璃是反射玻璃的一種,通常是藉由在玻璃表面上以真空濺射方式鍍上金屬化合物,以吸收或反射紅外光輻射熱能,並能保有良好的可見光;特別是在溫、寒帶地區,當室內點起暖爐時,可以避免熱能散發到室外,進而產生暖房效果且廣為使用。

此外,Low-E玻璃除了是一種相當穩定、可耐酸鹼腐蝕的透明導體外,因其所採用的主要原料為氧化錫,價格較為低廉且取得容易。於是工研院研發團隊經過改良後,以氧化錫與鋰、氟共摻成為LiFTO,不僅能使玻璃的透光度更好,隔熱效果也再提升,因此還能運用在熱帶等其他地區,用來阻隔室外的紅外光。

林澤勝說,過去為了要阻隔紅外光,另一種方式是採用「銀」為反射材料,也就是在真空濺鍍的製程中加入銀,以達到反射紅外光的效果;不過,銀的價格相對較高,而且製程中需要真空環境,更增加了不少成本。相對地,Spray-IT所使用的原料價格較低,而且是以一般噴塗(Spray)方式與製程結合,不論是真空或非真空製程都能使用,並不侷限於特殊的廠房設備,可大幅降低生產成本,容易施作且能大面積噴塗,應用的範圍也因此提高。

好比在玻璃之外,Spray-IT也可以與外牆瓷磚等建材結合,提升整體建築的隔熱效果;以目前的性能表現,也已和市面上以多層銀為材料的隔熱產品效果相當。另外,估計光是使用Spray-IT的玻璃,就具有降低10度C的潛力,成本也只有過去的十分之一;同時以穩定性高的氧化錫為主原料,更可提高使用年限,因此極被看好運用在各項建材上,成為新一代的隔熱節能助力。

林澤勝指出,材料與製程是Spray-IT的兩大特色,研發團隊不只是鑽研材料而已,同時也針對各項產業應用與製程整合,也更能迎合社會與產業的實際需求;事實上,如果在技術上能夠不斷突破,以Spray-IT方便、便宜的特性,也可以直接在現有建築或結構(如屋頂)上進行噴塗,或製成軟性膜來取代現有的隔熱膜,更擴大了隔熱節能的範圍。

獲國際大獎肯定

在2011年全球性的華爾街日報科技創新獎(Technology Innovation Awards)中,Spray-IT的技術特性與優勢,也得到眾人矚目,特別是符合國際環境和綠色科技的發展趨勢,且深具發展潛力與落實可能,以及改變生活的影響力,因而受到評審團的認同並獲得環境類首獎。

林澤勝表示,經由這次的參賽經驗,除了更加確認市場的需求與研發的方向,同時藉由來自世界各地的熱切詢問,更證實了Spray-IT的相關技術能對環境與產業有所幫助,也促使研發團隊必須加緊腳步,包括實現多種不同的應用,以及落實到產業界和量產化。

目前研發團隊即與國內的光電業者合作,在強調Spray-IT的導電功能下,將技術導入LCD製程,取代ITO透明導電膜。雖然銦材料的價格高,然對於大廠而言,如果沒有重大的改變或理由,實不容易更動現有的材料與製程;但經過驗證後,Spray-IT確實能夠使用在LCD產品上並提供良好效果,未來如果能夠成功量產,估計更能減少約六成的成本,也能提升國內廠商的競爭力。

林澤勝說,在LCD應用上,將是Spray-IT相關技術邁向量產的第一步,預計半年至一年後可以有產品問市。後續則是在建材產品方面,現在已有不少廠商對Spray-IT相當有興趣,但研發團隊仍希望持續提升技術的完整度,尤其是在不同應用與產品的製程上,更要與產業界合作,才有機會進一步實現;因此,能夠獲得國際競賽的肯定,除了是對研發團隊的一大鼓舞,更讓廠商對Spray-IT有更大的信心。

未來應用層面廣

根據工研院統計,若位於台北的辦公大樓,全棟都能採用Spray-IT,不僅所省下的空調費用相當可觀,而且僅約二年就可回收材料成本。可見在節能環保的趨勢下,Spray-IT有機會成為主角之一,像是太陽能電池的覆板,也可採用Spray-IT來降低溫度、提升發電效率;家電方面如廚房裡的烤爐,運用Spray-IT便可將熱能保持在內部以減少耗電,具良好透光性的特質也能讓使用者方便觀看食物烹飪狀況。

林澤勝表示,雖然研發團隊原本沒有預見能發展出Spray-IT,而且所使用的材質並不新,更不是每項技術都能像Spray-IT這樣能夠有具體呈現的機會;但更重要的是,研發必須從使用者端來考量應用與創新,並提出產業真正需要的技術,才能滿足各方面的需求,也是現在與未來研發的重心。



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